飞机电作动器散热特性实验研究

发布时间：2020-09-18 10:37

　　多电飞机是未来飞机发展的趋势,其目的为将部分次级能源替换为电能,借此提高燃油利用效率及飞机可靠性、可维修性。最适用于多电飞机的作动机构即机电作动器(以下简称电作动器),这种作动器完全由电动机驱动,经减速器与滚珠丝杠带动作动机构,实现舵面升降等功能,但其所处环境较为封闭,常遭受短时间大功率的热流,面临较为突出的散热问题。若能通过高效的方法解决电作动器的散热问题,将有利于提高电作动器的性能及其可靠性,同时减少飞机的燃油消耗,实现飞机能量优化。本文通过实验研究的方法,首先通过电作动器加载及传热特性实验,明确电作动器在各典型工况下的产热及传热特性;随后通过电作动器高效散热实验,使用热管对其进行散热,进而明确使用热管散热时电作动器的传热特性。实验结果表明:在恒定作动速度及出力的工况下,电作动器产热量保持恒定,随着作动速度及出力的提高,产热量持续升高,稳态温升可达30 K,若作动速度及出力进一步提高,其温升将威胁电作动器安全工作;在典型飞行任务循环实验中的高作动速度、大出力阶段下,电作动器产热最明显,在作动速度50 mm/s、出力4 kN的工况下,发热量可达130 W。随后在电作动器高效散热实验中,在发热量已由前述实验测定的基础上,搭建模拟电作动器实验台,通过电加热模拟其热源。引入热管对模拟电作动器进行高效散热实验,通过冷却水温度289 K、流量0.18 m~3/h的稳态实验,模拟电作动器温升最多可减小20 K;在模拟飞行任务循环实验中,模拟电作动器温度有小幅下降,各部件温度更易受冷却水温度影响,温度稳定更快;在产热最明显的工况下调整冷却水流量,其稳态温度变化很小,表明单方面增加热沉流量不可取,但热沉温度对电作动器各部件温度影响较大;所有实验中测得的流动阻力基本可忽略不计,又因其散热效果较好,证实了电作动器用热管散热的可行性,为其工程应用提供了参考。
【学位单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：V242
【部分图文】：

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作动器是飞机飞行控制系统的执行机构。最初的作动器为操纵连杆系统，整个系统完全由飞行员用手或脚扳动连杆，控制飞机的俯仰、滚转与偏航；随着飞行速度、高度与飞机性能要求的不断提升，单纯通过手动已无法满足飞行控制需求，进而出现了液压作动系统、气压作动系统等机构，帮助飞机安全、高效地正常运行[1]。在 21 世纪开始的十年中，随着空客 A380、波音 B787 以及第四代战斗机 F-35 的先后升空，开启了航空飞机的多电化时代。多电飞机用功能相同且仅消耗电能的系统替代原有各系统，次级功率中大部分以电功率的形式进行传输，使得大多数机载设备和操纵系统都由电能驱动，取消了飞机液压系统、发动机引气装置、气压系统、飞行控制系统的液压系统等大量占用空间大、自身重量大的部件。多电飞机是飞机技术发展的一次革命，其经济性、可靠性及易维护性都有巨大的优势，是未来飞机发展的一个重要方向[1-6]。在多电飞机中，飞行控制系统中的电作动机构[7]取代了传统的液压作动机构。电作动机构的执行机构包括机电作动器（EMA）和电静液作动器（EHA）。机电作动器主要由永磁电机、伺服驱动器及滚珠丝杠构成，是伺服电机和机械机构的再集成，如图 1.1；电静液作动器主要由伺服驱动器、电机及其驱动的液压泵、液压作动器件、独立的液压油箱构成，是伺服电机和液压机械的再集成[8,9]，如图 1.2。

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作动器加载及产热特性实验验原理动器中包含的能量形式有以下几种：电能、机械能、热能；其中，电能为消耗的电能，包含有功功率及无功功率两部分，有功功率可转化为机械能功率是为建立交变磁场而消耗的电功率，这部分功率既不转化为机械能也使电机正常工作，必须提供足够的无功功率以产生磁场；机械能为电作动力而向外输出的功；热能为永磁电机及其驱动器在输出机械能的同时发出摩擦产生的热。由能量守恒定律，即可获得各主要组件的产热量。国内航空用电作动器产品较稀有，本实验采用伺服电机及其配套驱动器搭并在其外加装环境控制舱，借此模拟用于航空器的电作动器。缺乏气动载荷模拟条件，鉴于电作动器是将电机转动变为直线运动的执行出轴后用液压缸进行直线加载，并由电磁阀控制加载压力，借此模拟舵面的气动载荷。系统原理图如图 2.1 所示：

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